基于EMA的车用合金铸铁构架制动盘模态研究

2019-07-29陆方舟

中国金属通报 2019年4期

陆方舟，叶斌

（浙江经济职业技术学院汽车技术学院，浙江杭州310018）

车辆行驶制动时一般会不定期、不规律、不稳定地发出振动噪声，轻微噪声对于车辆制动效能影响微乎其微，但是噪声水平是车辆驾驶舒适度和行驶质感重要体现。汽车制动噪声对车主用车满意度大打折扣，对车辆行驶质感的认可度有所下降。凭着对车辆行驶时制动性能的高标准和对驾驶质感的高要求，研究者们针对汽车制动盘噪声问题提出诸多有效降低噪声触发的解决方案。

研究着力于通过模态实验锤击脉冲激励试验，提取给定合金铸铁制动盘的自然频率（5000HZ以下）以及其对应模态特性。根据给定制动盘可能存在部件间模态偶合，且要满足避免有相邻模态干涉问题，为进一步通过有限元法分析改变原几何形状参数、安装紧固方式、材料选取替换等方式并有效改变制动噪声触发倾向性创造了实验条件。

1 汽车制动盘振动与噪声分析

车辆在行驶过程中，制动盘会受到规律性的摩擦力、机械惯性力、空气阻力等外界激励，从而产生振动噪声。制动噪声源比较复杂，其中以机械噪声、空气动力噪声为主要源。

（1）机械噪声

制动盘机械噪声产生的主要原因制动盘与制动片表面接触的摩擦力、盘体高速旋转的惯性力、路面回馈的冲击力、车体悬架刚性弹簧的阻尼减振力，综合构成外界激励环境致使制动盘运动不平衡产生振动噪声。

（2）空气动力噪声

车辆高速制动过程中，气流在制动盘的通风口流动，主要用于制动盘的散热以减缓制动盘的热衰退性，然而气流压力脉动是引起空气噪声的主要原因。

制动盘在汽车底盘制动系统中的重要零部件，在高速运转下由于外界激励局部吸收不均衡能量而易于产生微形变，致使制动盘与制动片配合间隙偏差，局部摩擦产生振动并向外界环境辐射噪声。制动盘模态研究目的是改善车辆驾乘舒适性、提高安全性和疲劳强度。由此可见，研究制动盘振动特性以及其模态振型有着重要意义。

2 模态分析理论基础

研究车辆制动盘的振动特性需以类壳体模型并借助模态分析技术完成。在振动系统模态振型分析中，可采用频响函数以加速度导纳测量模型[1]。

对于多自由度阻尼系统，频响函数的模态展开式为[2]，

3 制动盘模态实验分析

3.1 制动盘类壳体结构

合金铸铁制动盘作为类壳体模型，主要由上端面固定壳体、上摩擦表面壳体，下摩擦表面壳体、内部通风片四部分构成。由于制动盘比较轻薄，质量分布均匀且呈现圆形态，故将制动盘作为壳体模型分析。

3.2 制动盘自由模态实验方案

（1）制动盘模态实验悬挂方式。建立频率脉冲激励模型中，选择被测试件制动盘支撑固定方式是确定边界条件的关键步骤。制动盘在不同边界条件下，会呈现不同的模态振型特征。制动盘的刚体模态频率远低于弹性模态频率，故采用自由悬挂（图1），用弹性绳吊起近似得到有效自由悬浮的边界条件[3]。

图 1 制动盘悬吊方式

（2）激励点及拾振点选择。车用合金铸铁制动盘的结构属于对称结构，以对称方式排布激励点较为合理。根据制动盘工作运转环境，一是小端盖四螺栓孔固定端面可能吸能形变，二是制动盘摩擦端面易与其他部件发生模态耦合干涉。建立制动盘实验模型以小端盖突出侧为测试面，以该面圆心为激励点辐射中心，分别用黄、红、蓝、绿4条不同颜色的环线辐射且对称分布，测试面共56个激励点。

表1 制动盘模态固有频率

表2 制动盘模态实验振型（第1阶至第7阶）

利用单点拾振、多点激励的方法，考虑便于力信号采集工作，采用加速度传感器紧贴和在第一个激励点的后表面，如图2所示。

图2 辐射型激励点分布

3.3 制动盘模态实验过程及结果

本实验采用锤击法对制动盘施加外力信号，按顺时针顺序逐个锤击56个激励点，每个点单次快速且独立不干涉地锤击4次，经过采集分析仪（ LMS Frontend PIMETO）和计算机软件（LMS Test Xpress）的数据处理，得出每个点的频响函数，本实验完成后提取了车辆合金铸铁制动盘0-5000 Hz频域范围内的固有频率（表1），和相对应的各阶自由模态特征（表2）。

通过分析该合金铸铁制动盘的固有频率和各阶模态振型，在所有振型中都表现出了制动盘类壳体边缘的上下振动和制动盘类壳体的扩张运动。由表3.2可看出第2阶模态是一个尚不明确的模态结构，振动表现异常，其固有频率非常接近第3阶模态。

第2阶模态情况比较复杂且不稳定，其阻尼比略高于其他各阶模态，推测一是两种模态干涉叠加影响了运动轨迹，推测二是制动盘的几何测量误差和本身复杂的通风盘结构，推测三是本实验采用弹性绳吊起部件，无法处于完全自由边界状态。综上考虑，第2阶模态属于1-节圆型振型，但仍需进一步有限元法分析，证明第2阶模态振型的存在并核实该模态振型轨迹。